2019-09-09 13:55:01
用nanovolcanoes研究心脏细胞

EPFL和伯尔尼大学的研究人员开发了一种开创性的方法来研究心肌细胞的电信号。该技术在基础研究和应用研究中具有许多潜在的应用 - 例如改进对心律失常潜在机制的研究。

细胞是人体中最小的生命单位。可兴奋的细胞如神经元和心肌细胞 - 心肌细胞 - 使用电信号,即所谓的动作电位,彼此通信。科学家使用放置在细胞膜外部或内部的电极来研究这些正常大脑和心脏功能的信号,称为细胞外和细胞内记录。

由Philippe Renaud领导的EPFL微系统实验室4(LMIS4)和由Stephan Rohr领导的伯尔尼大学细胞光学实验室II的研究人员联合开发了一种新的微电极,可以独立地穿透细胞膜,当放置在阵列中,允许科学家在组织传播时跟踪电活动。研究人员的研究结果发表在Nano Letters上。

尖端技术

虽然多年来细胞电活动的记录系统已经显着发展,但它们仍然具有局限性。使用置于膜外的电极的非侵入性细胞外多电极阵列报告仅与动作电位间接相关的信号。他们告诉科学家很少关于动作电位的实际形状 - 细胞膜电位的瞬时升高 - 例如导致心脏跳动。

自从7年前伯尔尼大学生理学系的Silvio Weidmann首次测量细胞动作电位以来,科学家一直通过微电极获得细胞内通路来测量这些信号。可以将这些电极刺入细胞中,或者将它们置于细胞膜上,然后在电极口下打开膜。这可以通过机械方式或通过电穿孔 - 向电极施加高压脉冲来完成。例如,后一种技术最近用于通过微观蘑菇形状的纳米结构电极获得细胞内通路。然而,这种方法并不理想,因为细胞膜和纳米结构之间的界面是不稳定的,只留下一个短暂的窗口 - 通常最多几秒或几分钟 - 科学家们可以记录细胞的动作电位。

受大自然的启发

EPFL和伯尔尼大学团队采用了现有技术的最佳功能,并提出了一种巧妙的火山形设计来解决这个问题。 “通过重新设计几何形状和材料,我们开发了一种无需辅助穿透细胞膜的电极,从而无需电穿孔,”LMIS4的博士助理,该出版物的第一作者BenoîtDesbiolles说。 “我们还借鉴了我们实验室以前的研究,这表明模仿细胞膜可以稳定细胞 - 电极界面。”

这种新型电极由纳米火山组成,由三部分组成。第一个是火山口的边缘。它由具有相同尺寸的金环组成,并且衬有与细胞膜本身相同的生物分子。火山口内有一个铂电极,用于拾取电信号。外面被中空玻璃包围。 “一旦你将一个细胞放在结构上并开始下床,锋利的边缘刺穿了细胞膜,电极穿透细胞,”Desbiolles解释道。 “而不是改造,膜固定在金环上,创造了记录细胞电活动的理想条件。”

有前途的应用程序

利用纳米火山阵列,科学家们可以同时测量细胞培养中多个位置的动作电位,为心肌细胞在空间中的相互作用提供了丰富的见解。

“对于像我这样的电生理学家来说,这项技术实现了梦想成真,”该出版物的共同作者斯蒂芬•罗尔说。 “除了测量单个细胞的动作电位外,我们现在还可以研究传播动作电位如何根据组织结构和病理状况改变其形状。这些知识对于深入了解导致潜在致命性心律失常的机制至关重要。 “

纳米硫化物具有远远超出心脏电生理学的潜在应用。 “除了突破性的设计,我们的电极也非常容易制作,”Desbiolles解释道。目前正在进行测试,以确定它是否与神经元和其他可兴奋的细胞类型同样有效。根据这位年轻的研究人员的说法,该设计也为其他科学学科带来了希望:“Nanovolcanoes打开了进入细胞的大门。你可以想象在里面进行电化学。”该技术也可能吸引制药行业,让科学家们可以测试细胞对药物的反应,并从长远来看,开发靶向疗法。

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